第六卷 第四期 - 2008年十月三十一日
由1995-2005年之GPS觀測資料探討台灣西南部脫逸構造現今之變形行為
景國恩1饒瑞鈞1,*、李建成2、胡植慶3

1國立成功大學理學院地球科學系
2中央研究院地球科學研究所
3國立台灣大學地質科學系
raurj@mail.ncku.edu.tw

Earth and Planetary Science Letters, Vol. 262, 601-619, 2007.

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察世界主要山脈的構造型態會發現,一條山脈的尾端常會出現構造脫逸(tectonic escape or tectonic extrusion)的現象,而構造脫逸的概念主要是描述由於板塊間碰撞擠壓而發育山脈的同時,也導致造山帶內的物質或地質構造單元朝向非封閉邊界(free boundary)被擠出的側向運動行為(圖一),例如東南亞或是阿爾卑斯山東翼。就大型造山帶的構造脫逸而言,地表位移方向、上部地函剪切波分離(shear-wave splitting)方向與共軛斷層(conjugated faults)之走向皆大致平行構造脫逸的方向。因此,造成構造脫逸地區地表變形場的可能機制有下列兩項:(1)嵌入體(indenter)幾何型貌與板塊間碰撞擠壓方向兩者之交互作用;及(2)上部地函因重力勢能的梯度變化而產生重力流(gravity-driven flow),在上部地函流動的同時也拖著其上的地殼一起前進。另外,在如台灣地區這樣的小型造山帶研究中,對於台灣西南部構造活動之解釋亦採用構造脫逸的概念。於台灣西南部,因持續受到菲律賓板塊與歐亞板塊間西北西方向之碰撞擠壓,及位於被動大陸邊緣之北港高地幾何型貌兩者間的交互作用,導致台灣西南部之物質向西南西方向擠出(圖二)。最近的研究更進一步指出,根據GPS觀測、地震資料與地質構造的分析結果,位於台灣西南部之脫逸構造可以分解成四個朝南南西或朝南方向移動且近乎剛性的塊體運動。區分這些塊體之主要構造由西向東分別為北北東-南南西走向之變形前緣與旗山斷層,及接近南北走向之高屏斷層與潮州斷層(圖二)。如同大型造山帶,這四條構造之走向近乎平行台灣西南部構造脫逸的方向。然而,根據地形分析所得流域網形異常、航照與衛星遙測分析結果顯示,一條位於台灣西南部N140°E走向之左移鳳山斷層與前述四條北北東-南南西或接近南北走向之構造相交(圖二)。直觀而言,鳳山斷層的存在會阻礙台灣西南部各構造塊體像西南方脫逸的運動。因此,位於台灣西南部密集的GPS監測網資料,提供我們一個良好的機會來闡明台灣西南部各主要構造之活動特性及其構造脫逸之運動學模式。
圖一 位於東南亞印澳板塊與歐亞板塊間之構造脫逸示意圖。紅色大箭頭為兩板塊間之擠壓方向;藍色大箭頭為構造脫逸之方向。

圖二 台灣西南部之構造脫逸。紅色大箭頭為歐亞板塊與菲律賓海板塊間之擠壓方向;黃色箭頭為構造脫逸之方向;白色大箭頭為GPS速度場。Chaochou F.:潮州斷層;Chishan F.:旗山斷層;CTFZ:旗山轉換斷層帶;FTFZ:鳳山斷層;Kaoping F.:高屏斷層。

在本研究中,經濟部中央地質調查所自1995年起,於台灣西南部地區佈設一包含102個GPS移動站(campaign-mode stations)且測站間距約為5公里之高密度GPS監測網(圖三與圖四)。在計算台灣西南部地表變形量之分析上,我們採用每日GPS觀測坐標的成果,藉由最小二乘法針對各個測站的各個座標分量進行線性迴歸,進而評估各測站1995年7月至2005年8月相對於被動大陸邊緣測站(S01R)之速度場(圖三與圖四)。台灣西南部之水平速度場由東42.0 mm/yr,方位角246°,依逆時針方向向西遞減至13.0 mm/yr,方位角265°(圖三)。更進一步,沿著棋山斷層西南台灣可以被區分為兩個區域。旗山斷層以西之區域,測站速度依微量的順時針旋轉方向,由約42.0 mm/yr快速地向西遞減至13.0 mm/yr;而旗山斷層以東之區域,測站速度為51.9 ± 6.6 mm/yr,其方位角依逆時針方向由東向西由277°轉至247°。台灣西南部之垂直速度場指出,高雄市以北之沿岸地區與屏東平原最南端有5到20 mm/yr之沉降速率(圖四)。西部麓山帶與中央山脈則有10到20 mm/yr的抬升量(圖四)。基於水平速度梯度之分析,較大之應變速率主要集中在旗山斷層以西與鳳山斷層沿線之區域,其他地區則近乎無變形。由於中央山脈相對於屏東平原為向上抬升,因此潮州斷層於間震期(interseismic period)為一斷層淺部鎖定之高角度逆衝斷層(圖四)。旗山斷層為一具有顯著右移分量之逆衝斷層(圖三)。鳳山斷層為一左移斷層,並自小岡山與古亭坑斷層之交接處向南延伸至屏東平原的海岸線(圖三)。
圖三 台灣西南部相對於澎湖測站S01R之GPS水平速度場。黑色箭頭為水平速度向量,箭頭頂點之橢圓為速度向量之95%可信區間。三角形為GPS測站位置。色階呈現水平速度變化。灰色線條表示活動斷層。

圖四 台灣西南部相對於澎湖測站S01R之GPS垂直速度場。三角形為GPS測站位置。色階呈現垂直速度變化。灰色線條表示活動斷層。

根據詳細之GPS觀測資料分析,我們提出一個新的西南台灣地殼變形構造運動模型(圖五)。因北港高地的阻擋與增積楔持續地向西遞進,迫使台灣西南部之物質向西南西或西南平行北港高地南緣方向擠出。旗山斷層為一主要的邊界斷層,將台灣西南部區分為兩個構造塊體:旗山斷層以西為具有右移側向擠壓(transpression)同時帶有順時針旋轉量的西部麓山帶;斷層以東為具有逆時針旋轉量且近乎剛性之屏東平原。N140°E走向之左移鳳山斷層會由東向西改變台灣西南部地區之速度向量,由朝西逆時針旋轉至朝西南西平行構造脫逸之方向。最後,此地區因板塊的東西擠壓與造山帶之南北延展,使台灣地區具有近乎東-西方向擠壓與南-北方向伸張之應力環境,且此應力場在岩石圈的不同深度範圍內以不同的方式呈現。於上部地函,主要以向南塑性流動之地幔流呈現;於地殼尺度內,則以東北-西南走向之旗山斷層與N140°E走向之鳳山斷層所組成的脆性共軛斷層系統所呈現。同時,在台灣西南部的構造脫逸過程中,朝南之上部地幔流與西南向之地殼物質脫逸,暗示地殼與上部地函兩者間的運動行為為分離的(decoupled)。
圖五 台灣西南部之構造模型。(a)地殼之構造脫逸模型。紅色大箭頭與藍色箭頭分別表示東西向之擠壓與南北向之伸張。紅色線段為旗山斷層(CHNF)與鳳山斷層(FTFZ)。灰色大箭頭指示地殼脫逸的方向。白色細箭頭為GPS速度場。黃色箭頭呈現西部麓山帶側向擠壓地區(黃色區域)之剪切方向。暗灰色地區表示近乎剛性的塊體(即屏東平原)。綠色箭頭分別顯示上述兩塊體相反的旋轉方向。(b)上部地函之構造脫逸模型。紅色大箭頭表示東西向之擠壓而綠色箭頭為上部地幔流之流動方向,該方向由剪切波分離(粗棒狀)之快波方向決定。延遲時間正比於棒狀長度,因西南台灣之延遲時間約為1.5秒,所以我們判斷具非均向性之岩石圈厚度約為150公里。
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